TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Wärme (IV)

Thermoelektrische Module bestehen bislang zumeist aus dem teuren Halbleiter Wismuttellurid und weisen Wirkungsgrade von 3 – 8 % auf. Daß auch das viel günstigere Silizium als Stromgenerator geeignet ist, wenn es in die Form von Nanodrähten gebracht wird, berichten Wissenschaftler der University of California in Berkeley Anfang 2008.

Dabei handelt es sich um Strukturen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 nm, die den ansonsten recht dürftigen thermoelektrischen Effekt von Silizium etwa um das 100fache steigern. Ähnliche Ergebnisse werden auch am California Institute of Technology in Pasadena erzielt, wo man besonders dünne und kantige Si-Nanodrähte mit bis zu 20 nm Durchmesser auf einer isolierenden Siliziumdioxid-Unterlage fixiert. Die Nanodrähte werden dabei fast so effizient wie Wismuttellurid. Mitbeteiligt an den Forschungen ist auch das DOE.

Im März 2008 stellt das Freiburger Unternehmen Micropelt GmbH den Prototypen eines TE-Power-Bolt Thermogenerators in Form einer Schraube vor, der Batterien in Drahtlos-Sensoren ersetzen soll. Mit der M24-Stahlschraube, in welche ein Thermogenerator eingebaut ist, kann Energie für Milliwatt-Verbraucher von Oberflächen und Strukturen ab 10°C – 20°C über Umgebungstemperatur abgenommen werden. Ab etwa 10°C Temperaturunterschied zur Umgebungsluft liefert der integrierte Gleichstromwandler 0,2 – 15 mW. Die Spannung kann dabei konstant zwischen 1,2 V und 5 V eingestellt werden. Auch über diese Entwicklung berichte ich mehr unter Thermoelektrik.

Wenn solche Technologien im Großen umgesetzt werden, dann handelt es sich zumeist um konventionelle Systeme zur industriellen Abwärmenutzung, wie ich sie im Kapitel Wärmeenergie ausführlich vorstelle.

Im April 2008 meldet die Presse aus dem katalanischen UAB Research Park (PRUAB) in Bellaterra die Herstellung des weltweit ersten Nanomotors, der rein durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Der Forschungspark ist eine Non-Profit-Organisation, die im Jahr 2007 von der Autonomen Universität Barcelona (UAB), dem Hohen Rat für wissenschaftliche Forschung (CSIC) und dem Institut für Forschung und Technologie (IRTA) gegründet wurde.

Der ‚Nanotransporter’, der eine Million mal kleiner ist als der Kopf einer Nadel, besteht aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Achse und einem weiteren kürzeren, konzentrischen Nanoröhrchen, das sich mit ‚Fracht’ wie Metallen beladen hin und her bewegen oder sogar als Rotor drehen läßt, indem an die beiden Enden des längeren Röhrchens unterschiedliche Temperaturen angelegt werden.

Dabei bewegt sich das kürzere Röhrchen von der wärmeren zur kälteren Seite, ähnlich wie bei der normalen Wärmekonvektion. Dazu kann die Bewegungen entlang der längeren Röhre mit einer Genauigkeit von weniger als dem Durchmesser eines Atoms gesteuert werden.

Doch auch über diese Entwicklung unter der Leitung von Adrian Bachtold, Forscher am Nanoscience and Nanotechnology Research Centre (CSIC-ICN) und am National Microelectronics Centre (CNM), sowie von Eduardo Hernández am Institute of Material Science (ICMAB), die alle einen Teil des Forschungsparks bilden, und an der auch Kollegen von der Universität Wien und dem EPFL in Lausanne, Schweiz, beteiligt sind, ist später nie wieder etwas zu hören.

Im Jahr 2008 geht die von Prof. Avigdor Schertz am Weizmann Institute in Israel und Roie Yerushalmi, der im kalifornischen Berkeley forscht, 2005 gegründete Firma Salio mit Sitz in New Jersey auf die Suche nach Kapital an die Öffentlichkeit, um eine sogenannte molekulare Feder zu vermarkten. Die Feder, die in der Salio-Forschungsabteilung in Ness Ziona entwickelt wird, kann äußere Energien in Form von Wärme, Licht oder sich verändernden Ph-Werten in kinetische Energie verwandeln.

Obwohl die Technologie, die von Yeda, dem Technologietransfer-Zentrum des Weizmann-Instituts lizenziert wird, nach eigener Aussage noch sehr kompliziert sei (es werden auch keinerlei Details dazu bekannt), will die Firma das System schnell weiterentwickeln, das in Sensoren und Detektoren installiert bereits erfolgreich die ersten Tests absolviert habe.

Außerdem wird untersucht, wie die molekulare Feder reagiert, wenn sie in Kontakt mit gefährlichen Gasen kommt. Die Idee dahinter ist, daß sich ein Rohrleitungssystem selbständig verändert (und möglicherweise sogar selbst repariert), um Leckagen zu verhindern, bevor sich ein Unfall ereignet. Doch wie schon so oft zuvor ist auch in diesem Fall später nichts mehr über die Innovation zu finden.

Das Unternehmen Solar Botanic Ltd. aus London präsentiert 2008 das Konzept eines künstlichen Baumes, der sowohl die Lichtstrahlung als auch Wind und Regen zur Stromerzeugung nutzt. Die Nanoleaf genannten Blätter des Baumes sind photoaktiv, beinhalten thermoelektrische Elemente und sitzen an piezoelektrischen Stengeln.

Über die Effizienz des in Zusammenarbeit mit dem renommierten Engineering-Abteilung der Londoner Brunel University entwickelten Systems liegen noch keine genauen Angaben vor, das Unternehmen schätzt jedoch, daß ein mittelgroßer Baum ausreichend Strom für einen 1-Personen-Haushalt erzeugen könnte.

Mit der Innovation scheint es dann allerdings nicht weiter vorangegangen zu sein, denn es lassen sich weder Informationen über praktische Versuche noch über konkrete Umsetzungen finden. Andere Projekte, die sich an der Photosynthese orientieren, präsentiere ich in einem eigenen Absatz (s.d.).

Im Januar 2009 startet unter dem Namen MIKOA (was für den Bandwurm-Titel ,Miniaturisierte energgieautarke Komponenten mit verläßlicher drahtloser Kommunikation für die Automatisierungstechnik’ steht), ein mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördertes Vorhaben, das bis Ende 2011 laufen soll. Die Gesamtkosten des Projektes belaufen sich auf ca. 6,1 Mio. €.

Unter der Projektträgerschaft der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH beschäftigt sich MIKOA mit der Entwicklung autonom arbeitender Sensormodule aus kleinen, modularen Funktionskomponenten, in welche eine ebenfalls miniaturisierte autonome Energieversorgung mit eingebunden werden soll.

Als Projektpartner werden die Firmen EnOcean GmbH, Festo AG & Co. KG, Siemens AG und Zollner Elektronik AG genannt, sowie die Helmut-Schmidt-Universität der Bundeswehr in Hamburg, die HSG-IMIT Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., das Institut für Automation und Kommunikation e.V. (ifak) in Magdeburg sowie die Universität Paderborn. Trotz dieser hochkarätigen Beteiligung werden auf der Homepage des Projekts keinerlei Fortschritte gemeldet, auch das angekündigte Pressematerial ist bislang nicht veröffentlicht worden (Stand 2016).

Zu den Finalisten des James Dyson Award 2009, die im Juni dieses Jahres verkündet werden, gehört ein Armband des französischen Designerteams Mathieu Servais, Camille Lefer, Clément Faydi und Mickaël Denié, das den Thermo-Element nutzt um aus der Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und der anderen Oberfläche, die in Berührung mit der Haut bleibt, Strom zu erzeugen – ganz ähnlich wie die eingangs erwähnte Seiko-Uhr.

Der Strom wird in einem integrierten Li-Po Akku gespeichert um später dazu benutzt zu werden, mittels Micro-USB ein Mobiltelefon aufzuladen. Ein winziges Display in Form mehrerer Kleinst-LEDs zeigt den jeweiligen Ladezustand des Dyson Energy Bracelet genannten Designs an. Da das Armband letztlich aber nicht zu den Gewinnern gehört, besteht auch kaum eine Chance darauf, daß es tatsächlich umgesetzt wird. Jedenfalls verschwindet später auch dieser interessante Ansatz wieder.

Im Februar 2010 melden die Forscher Prof. Anantha P. Chandrakasan und Yogesh Ramadass vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), daß sie Energiefängersysteme entwickelt haben, die Strom aus Temperaturdifferenzen zwischen einem Objekt (wie dem Körper) und der Luft sammeln können.

Zwar können die neuen Systeme noch nicht viel Leistung produzieren – bislang erst 100 µW aus einer Temperaturdifferenz von 1 – 2 Grad –, was dennoch ausreicht, um biomedizinische Geräte wie Herzfrequenz- und Blutzuckermeßgeräte oder andere Low-Power-Elektronik in schwer zu erreichenden Stellen zu versorgen, wie zum Beispiel Luftqualitäts-Monitore in Lüftungsschächten oder Abgas-Monitore in den Schornsteinen von Industrieanlagen.

Ramadass, der später für Texas Instruments arbeitet (das zusammen mit Intel und anderen zu den wichtigsten Sponsoren der Forschungsgruppe gehört), verfolgt zwei unterschiedliche Ansätze zur Energiebeschaffung: neben winzigen Temperaturunterschieden entwickelt er auch experimentelle piezoelektrische Geräte, um kleine Bewegungen und Vibrationen zu nutzen.

Im August 2011 wird von dem Team eine neue Technik präsentiert, mit der sich Wärme in elektrische Energie umsetzen läßt. Hierbei wird über die Nanostruktur eines eigens entwickelten Materials der Infrarotanteil von Wärme in seiner Wellenlänge so moduliert, daß er ideal verwertbar für geeignete Photovotaikzellen ist. Einer ähnlichen Technik bedienen sich  Mottenaugen, um in der Nacht einen möglichst großen Teil des verfügbaren Restlichts einzufangen.

Auf Basis ihrer Entdeckung konstruieren die MIT-Wissenschafter einen mit Butan betriebenen Reaktor in Knopfgröße, der dreimal so lange Energie abgibt wie eine Lithium-Ionen-Batterie des gleichen Gewichts. Über Details oder die Effizienz des Verfahrens gibt es noch keine Angaben. Gedacht wird an den Einsatz eines Radioisotops, dank dessen Wärme, die beim radioaktiven Verfall des Materials entsteht, sich mit der neu entwickelten Technologie drei Jahrzehnte lang Energie gewinnen ließe, z.B. für längere Weltraummissionen.

Einem Bericht vom September zufolge entwickelt Ramadass zudem die erste Generation einer besonders effizienten Schnittstellenschaltung für die Stromerzeuger, die mit einem handelsüblichen thermischen Harvester verbunden einen Gesamtwirkungsgrad von 58 % erreicht.

Im Juli 2012 stellt das Team einen neuen Chip vor, der gleichzeitig drei Quellen nutzen kann, um seine Elektrizität zu beziehen: Wärme, Vibrationen und Sonnenlicht. Indem alle drei kombiniert werden, soll der Chip sowohl autark als auch wesentlich leistungsfähiger als bisher werden, zudem kann dank einer ,Dual-path’-Architektur überschüssige Energie in einer Batterie oder einem Superkondensator gespeichert werden.

Weitere Entwicklungsschritte werden erst wieder im Juni 2015 bekannt, als die MIT-Doktorandin Dina Reda El-Damak einen neuen Leistungswandler-Chip präsentiert, der mehr als 80 % der zugeführten Energie ernten kann. Ein Prototyp wird durch die Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. hergestellt.

Die jüngste Meldung aus dem MIT beim aktuellen Update stammt vom März 2016 und betrifft ein neues System zur Erzeugung von Elektrizität aus Wärme, das keine Metalle oder giftigen Stoffe verwendet. Der Ansatz basiert auf einer Entdeckung von Prof. Michael Strano, Doktorand Wonjoon Choi und ihren Mitarbeitern im Jahr 2010.

Damals wurde festgestellt, daß ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen elektrischen Strom erzeugen kann, wenn es progressiv von einem zum anderen Ende erwärmt wird – beispielsweise indem es mit einem hochreaktivem Brennstoff beschichtet und dann an einem Ende mit einem Laserstrahl oder Hochspannungsfunken angezündet wird, wie es die Forscher tun.

Als Resultat wandert eine thermische Welle von rund 2.700°C mit rund 2 m/s die aufgerollten Kohlenstofflagen entlang und schiebt dabei Elektronen vor sich her, was für den elektrischen Stromfluß sorgt – weshalb seine Entdecker das bislang unbekannte Phänomen auch Thermopower-Wellen nennen. Dabei bewegt sich die Hitzewelle 10.000 mal schneller fort als die Flamme der chemischen Reaktion des Sprengstoffs.

Es gelingt den Forscher ihr System soweit zu entwickeln, daß es – relativ zu seinem Gewicht – rund hundert mal mehr Energie liefert als eine heutige Lithium-Ionen-Batterie und damit auch wesentlich mehr als durch thermoelektrische Berechnungen vorhergesagt worden war. Das Team hält deshalb andere Effekte für verantwortlich, die es Elektronen-Mitnahme nennt, da es so scheint, als würde die thermische Welle elektrische Ladungsträger - entweder Elektronen oder Fehlstellen, sogenannte Elektronenlöcher – mitreißen.

Bislang nur ein Plan ist, unterschiedliche reaktive Brennstoffe zum Beschichten zu nutzen und damit oszillierende Wellenfronten zu erzeugen, wodurch ein Wechselstrom erzeugt werden könnte. Zunächst muß allerdings die Effizienz des Systems von gegenwärtig gut 1 % stark verbessert werden, da ein großer Teil der eingesetzten Energie als Licht und Wärme verloren geht.

Der aktuellen Meldung zufolge sei es nun gelungen, die Effizienz des Prozesses mehr als tausendfach zu erhöhen und Geräte zu produzieren, die Leistung in derselben Liga liefern wie die besten heutigen Batterien. Daneben habe man aber auch viel Zeit für die Entwicklung einer Theorie aufgewendet, wie die Thermopower-Wellen überhaupt funktionieren.

Grundsätzlich entsteht der Effekt, wenn ein Wärmeimpuls Elektronen durch das Bündel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen drückt, und die Elektronen mit sich trägt – wie ein Haufen von Surfern, die eine Welle reiten. Die neuesten Experimente zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment und bilden eine starke Bestätigung des zugrunde liegenden Mechanismus.

Eine wichtige Erkenntnis, die geholfen hat die Theorie zu überprüfen, ist, daß manchmal die Hitzewelle eine einzige Spannung erzeugt, manchmal aber auch zwei verschiedene Spannungsbereiche zur gleichen Zeit. Der Theorie nach teilt sich die thermische Welle in zwei verschiedene Komponenten, die einander manchmal verstärken und manchmal gegeneinander wirken. Die mathematischen Modelle der MIT-Experten können beschreiben, warum dies der Fall ist, was alternative Theorien nicht tun.

Während die ersten Experimente noch potentiell explosive Materialien verwendet haben, um den Wärmepuls zu erzeugen, der die Reaktion antreibt, verwendet die neue Version einen gutartigen Kraftstoff: Saccharose, auch als gewöhnlicher Tafelzucker bekannt. Hier abgebildet ist eine Serie von Zeitraffer-Fotos, die von oben nach unten verläuft und zeigt, wie ein Überzug aus Zucker über einem Draht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen am linken Ende angezündet wird und von einem Ende zum anderen abbrennt. Das Team glaubt jedoch, daß andere Verbrennungsmaterialien das Potential haben, höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

Schon jetzt ist das Gerät leistungsstark genug, um einfache elektronische Geräte wie ein LED-Licht mit Strom zu versorgen. Und im Gegensatz zu Batterien, die nach und nach ihre Energie verlieren können, wenn sie über einen längeren Zeitraum gelagert werden, hat das neue System eine nahezu unbegrenzte Haltbarkeit. Darüber hinaus ist es sehr gut skalierbar für den Einsatz in den immer kleiner werdenden tragbaren Geräten, die im Entstehen sind. Um aus dem Konzept ein kommerzialisierbares Produkt zu entwickeln, wird es noch mehrere Jahre dauern, befürchten die Forscher, die bei ihrer Arbeit vom Office of Scientific Research der Air Force und dem Office of Naval Research unterstützt werden.

Der auch sonst äußerst aktive Strano hat u.a. 2010 eine Faser aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt, die Licht konzentriert (s.u. Optimierungs- und Verstärkungstechniken), 2012 eine PV-Zelle, die komplett aus den Nanoröhrchen besteht und Sonnenenergie auch im nahen Infrarot-Bereich des Spektrums einfängt (s.u. Nano-Solarzellen), sowie 2014 die Fähigkeit einer Pflanze verbessert, im Zuge der Photosynthese Sonnenlicht zu absorbieren, indem auch die Pflanze mit Nanoröhrchen ausgestattet wird.

Im April 2010 wird bekannt, daß Forscher des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) und der Scripps Institution of Oceanography der University of California in San Diego nach fünf Jahren der Forschung und Technologieentwicklung nun seit November 2009 vor der Küste Hawaiis Ausdauertests mit einem 84 kg schweren Roboter-U-Boot durchgeführt haben, das die gesamte für den Betrieb nötige Energie aus seiner Umgebung gewinnt.

Das autonome Unterwasserfahrzeug SOLO-TREC (Sounding Oceanographic Lagrangrian Observer Thermal RECharging) nutzt ein System, das aus zehn Röhren besteht, in denen sich wachsartige Phasenwechselmaterialien befinden, um mittels der thermischen Energie unterschiedlich warmer Wasserschichten Strom zu erzeugen. Wenn das Klein-U-Boot aufsteigt und in warmes Wasser über 10°C kommt, schmilzt und expandiert dieses Material um 13 %, während es beim Absinken in kälteres Wasser wieder fest wird und kontrahiert.

Das expandierende Wachs quetscht Öl aus den Röhren in das Innere des Schwimmgeräts, wo es unter hohem Druck gespeichert wird. Das Öl kann dann freigegeben werden, um einen hydraulischen Motor anzutreiben und die Akkus des Gefährts aufzuladen. Bei über 300 Tauchgängen bis auf 500 m Tiefe erzeugt Solo-Trec jeweils etwa 1,7 Wh, was für den Betrieb von wissenschaftlichen Geräten, GPS-Empfänger, Kommunikationsausrüstung sowie Auftriebskontrollpumpe ausreicht.

Den hauptverantwortlichen Wissenschaftlern Thomas Swean, Yi Chao und Jack Jones zufolge soll der Prototyp den Weg für autonome Unterwasserfahrzeuge ebnen, bei denen die nötige Energieversorgung keine Einschränkung der Missionsdauer mehr bedeutet.

Ebenfalls im April 2010 berichten die Wissenschaftler Jin Xie und Hanhua Feng von Institut für Mikroelektronik A*STAR,  Singapurs staatliche Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung, zusammen mit Chengkuo Lee von der National University of Singapore, daß sie ein verbessertes Thermoelement entwickelt haben, das zum Beispiel die Körperwärme eines Menschen nutzen könnte.

Der neue thermoelektrische Generator hat die Fläche von einem Quadratzentimeter, läßt sich mit den üblichen Verfahren aus der Halbleitertechnik herstellen und kann bei einem Temperaturunterschied von fünf Grad eine Spannung von 16,7 V und eine Leistung von 1,3 µW erzeugen. Weitere Details werden nicht genannt.

Auch im April 2010 gibt Prof. David L. Carroll, Direktor des Center for Nanotechnology and Molecular Materials der Wake Forest University in North Carolina bekannt, das erste Europäische Patent für eine neue Solarzellentechnologie erhalten zu haben, welche die Energieproduktion der heutigen flachen Zellen verdoppeln kann, und dies zu einem Bruchteil der Kosten. Die Technologie wird hier aufgeführt, weil sie die Grundlage für eine weiterführende Entwicklung bildet, bei der auch die Wärmenutzung integriert ist.

Das genannte Patent mit dem Titel ,Fiber Photovoltaic Devices And Applications Thereof’, in dem neben Carroll auch noch Seamus A. Curran und James L. Dewald als Miterfinder genannt werden, war 2007 angemeldet und 2009 veröffentlicht worden (EP-Nr. 2022109; vgl. EP-Nr. 2378581 ,Photovoltaic Cell’). Das entsprechende US-Patent, das ebenfalls 2007 angemeldet worden war (nach einer vorläufigen Patentanmeldung US-Nr. 60/796.608 aus dem Jahr 2006), wird allerdings erst im Jahr 2014 erteilt (US-Nr. 8.772.629).

Die neuen Solarzellen bestehen aus Millionen winziger Kunststoff-Fasern, die Sonnenlicht auch in schiefen Winkeln sammeln können, d.h. wenn die Sonne auf- oder untergeht. Und wo flache Zellen Energie verlieren, wenn die Sonnenstrahlen von der glänzenden Oberfläche abprallen, schafft das faserbasierte Design mehr Oberfläche um das Licht in den winzigen Fasern einzufangen, wo es so lange ,herumspringt’, bis es fast vollständig absorbiert wird. Daher wird erwartet, daß die neuen Faserzellen etwa doppelt so viele Kilowattstunden pro Tag produzieren als Standard-Flachzellen.

Um die Zellen herzustellen, werden die Indium-Zinnoxid-Fasern auf Kunststoffplatten montiert, während der Absorber – entweder ein Polymer oder ein Farbstoff – aufgesprüht wird. Die dadurch sehr leichten und flexiblen Zellen lassen sich aufrollen und versenden. Als Einsatzfeld werden u.a. die Entwicklungsländer ins Auge gefaßt, da die Installation entsprechender Anlagen nur ein Viertel dessen kosten würde, was bei einer ähnlichen Anlage aus Flachzellen zu Buche schlagen würde. Die patentierte Technologie wird daher der Spin-off-Firma FiberCell Inc. mit Sitz in Winston-Salem, North Carolina, lizenziert, um einen Weg zur Fertigung der Zellen zu entwickeln. Bislang erscheinen diese aber noch nicht unter den Produkten des Unternehmens (Stand 2016).

Daneben beschäftigt sich die Gruppe um Carroll mit der Suche nach kostengünstigen und effizienten thermoelektrischen Systemen sowie thermischen/photovoltaischen Anlagen, wobei sie mit den Partnern International Thermodyne aus Charlotte, NanotechLabs Inc. aus Yadkinville (beide in North Carolina) sowie der Sineurop Nanotech GmbH aus Stuttgart, Deutschland, zusammenarbeitet.

Im April 2011 präsentieren die Forscher eine neue polymer-solarthermische Vorrichtung, welche die Photovoltaik mit einem System kombiniert, das die Infrarot-Strahlung der Sonne einfängt, um Heizwärme zu erzeugen. Durch die Nutzung von sowohl Wärme als auch Licht soll das Gerät bis zu 40 % der Heizkosten einsparen und zudem die Stromrechnung reduzieren, indem es Strom liefert.

Die Hybridzelle besteht aus einer integrierten Anordnung von klaren Röhrchen mit einem Durchmesser von 5 mm. Flach hingelegt, scheint sichtbares Sonnenlicht in die Röhrchen, die mit einem Gemisch aus einem Öl und einem patentierten Farbstoff gefüllt sind. Das erhitzte Öl fließt dann zu einer Wärmepumpe, welche die Wärme in das Haus hinein leitet. Der elektrische Strom wird derweil über Polymer-Solarzellen erzeugt, die auf die Rückseite der Röhrchen gesprüht sind. Das Ergebnis ist eine solarthermische Vorrichtung mit einem Wirkungsgrad von 30 %.

Im Vergleich zu flachen Solarzellen hat die Rohrkonstruktion den Vorteil, daß sie Licht auch in schrägen Winkeln erfassen und Energie über eine viel längere Strecke des Tages sammeln kann. Zudem läßt sie sich leichter in Baumaterialien integrieren, um Versionen herzustellen, die beispielsweise Dachziegeln ähneln. In den kommenden Monaten will das Forschungsteam eine ca. 0,3 m² große solarthermische Zelle produzieren, um die Technologie näher zum Markt zu bringen.

Meldungen vom Februar 2012 zufolge hat die Universität zwischenzeitlich ein Gewebe-ähnliches Material namens Power Felt (Energie-Filz) entwickelt, das Wärme in elektrischen Strom umwandeln kann. Das neuartige Material besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die die in Kunststoff-Fasern eingebunden sind. Der daraus gewebte Stoff fühlt sich an wie ein Fell und kann aus Temperaturunterschieden Strom generieren. Bislang erzeugt das Material allerdings nur sehr wenig Strom. 72 Lagen des sehr dünnen Materials generieren gerade einmal 140 nW.

Um sich für die angedachten Einsatzzwecke zu eignen, wie Isoliermatten rund um Leitungen, Dachziegel-Unterfütterungen oder Autositze, muß die Effizenz daher noch beträchtlich gesteigert werden. Langfristig könnte es dann nur noch 1 $ kosten, um eine Handy-Abdeckung aus Power Felt herzustellen, hoffen die Forscher. Lizenziert wird diese Techologie der Firma International ThermoDyne LLC in Charlotte, North Carolina, die den Namen des Produkt in PhelTex verändert (für Power Harvesting Electrical Textile).

Über eine erste praktische Umsetzung des inzwischen Hybrid Stirling Energy Generator (HySterE) genannten Solarpaneels, oft fälschlich ,Sterling’ geschrieben, das in der Lage ist sowohl sichtbares Licht als auch Wärmeenergie zu sammeln, wird im August 2013 berichtet, als Carroll und ein Team von Doktoranden gemeinsam mit 6- bis 8-Kläßlern der Hanes Middle School während eines Power Up!-Sommer-Camps einen Prototyp des ersten kommerziellen Systems zusammenbauen.

Der HySterE besteht aus transparenten Röhren eines kostengünstigen Kunststoffs, die mit einem nanotechnisch entwickelten Farbstoff sowie Ethylenglykol (Kühlerflüssigkeit) gefüllt sind. Der Farbstoff absorbiert Wärme und überträgt diese an das Ethylenglykol, das dabei überhitzt (d.h. den Siedepunkt erreicht, ohne zu verdampfen). Diese Flüssigkeit wird dann durch eine stromerzeugende Miniturbine von der Größe eines Kaffee-Bechers geleitet. Zudem  ist auf der Rückseite jedes Rohres ein Streifen von photovoltaischem Silizium plaziert, der das sichtbare Licht sammelt.

Im Vergleich zu einem 120 × 180 cm großen Si-Solarpaneel auf dem Dach, das etwa 500 W erzeugen kann, soll den Wissenschaftlern zufolge ein HySterE-Paneel der gleichen Größe 1,2 kW elektrische Leistung produzieren können, und zudem über einen größeren Teil des Tages. Außerdem sei es möglich, das Paneel bis zu 60 % aus recyceltem Material herzustellen. Damit will das Team auch ein Problem der Regierung der Bahamas lösen. Diese hatte Carroll nach Solarpaneelen gefragt, bei denen recycelte Wasserflaschen verwendet, und die durch nicht-qualifizierte Arbeitskräfte zusammengebaut werden könnten – weshalb auch die o.g. Schüler der Mittelstufe ausgewählt werden.

Über die genannten Techniken hinaus umfaßt das Portfolio der Carroll-Gruppe auch noch feldinduzierte Polymer-Elektrolumineszenz (FIPELTM) Leuchten, die energieeffizienter und in der Herstellung weniger teuer als LEDs sind (lizenziert an die Firma CeeLiteTM Technologies). Neue Patente über thermoelektrische Vorrichtungen werden auch beantragt (z.B. US-Nr. 20160035956 bzw. EP-Nr. 2973764, eingereicht 2014, veröffentlicht 2016).

 

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